CN115061247A - 光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法。所述光电子芯片与光纤融合装置包括：光电子芯片，包括光发射器件和光接收器件；光纤，包括第一端、与所述第一端相对的第二端、以及位于所述第一端与所述第二端之间的微纳结构，所述第一端与所述光电子芯片耦合连接，所述微纳结构暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤的第一端进入所述光纤；反射透镜，位于所述光纤的所述第二端，用于反射经所述光纤传输的光信号，且经所述反射透镜反射的光信号通过所述光纤进入所述光接收器件。本发明实现了对外界环境的感知，扩大了光电子芯片的应用领域，能够满足不同领域的应用需求。

Description

光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法。

背景技术

光通信是在发光二极管(Light Emitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，以大气或水作为传授媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode，PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，光通信技术具有：耗能低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略，保密性高等优点。光电子芯片是利用光通信技术形成的芯片。

当前光电子芯片的功能较为单一，仅能进行信息的传输，无法实现对外界环境信息的感知，从而限制了光电子芯片的应用。

因此，如何实现对外界环境信息的感知，从而扩大光电子芯片的应用领域，是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光电子芯片与光纤融合装置及其制造方法，用于实现对外界环境信息的感知，从而扩展光电子芯片的功能，扩大光电子芯片的应用领域。

为了解决上述问题，本发明提供了一种光电子芯片与光纤融合装置，包括：

光电子芯片，包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

光纤，包括第一端、与所述第一端相对的第二端、以及位于所述第一端与所述第二端之间的微纳结构，所述第一端与所述光电子芯片耦合连接，所述微纳结构暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤的第一端进入所述光纤；

反射透镜，位于所述光纤的所述第二端，用于反射经所述光纤传输的光信号，且经所述反射透镜反射的光信号通过所述光纤进入所述光接收器件。

可选的，还包括：

耦合透镜，覆盖所述光电子芯片，所述光发射器件发射的光信号经所述耦合透镜进入所述光纤，经所述反射透镜反射的光信号自所述耦合透镜进入所述光接收器件。

可选的，还包括：

电路基板，所述光电子芯片位于所述电路基板上、且与所述电路基板电连接。

可选的，还包括：

套管，所述光电子芯片与所述光纤的所述第一端封装于所述套管内。

可选的，所述微纳结构为D型微纳结构。

可选的，所述D型微纳结构的直径为600μm～650μm。

可选的，还包括：

处理电路，连接所述光发射器件和所述光接收器件，用于根据所述光发射器件发射的光信号与所述光接收器件接收到的光信号分析所述外界环境信息。

可选的，所述外界环境信息包括温度、湿度或者应力。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种光电子芯片与光纤融合装置的制备方法，包括如下步骤：

形成光电子芯片，所述光电子芯片包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

形成光纤，所述光纤包括第一端、与所述第一端相对的第二端、以及位于所述第一端与所述第二端之间的微纳结构，所述微纳结构暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息；

耦合连接所述光电子芯片与所述光纤的第一端、并于所述光纤的所述第二端覆盖一反射透镜，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤的第一端进入所述光纤，所述反射透镜用于反射经所述光纤传输的光信号，且经所述反射透镜反射的光信号通过所述光纤进入所述光接收器件。

可选的，连接所述光电子芯片与所述光纤的第一端、并于所述光纤的所述第二端覆盖一反射透镜的具体步骤包括：

固定所述光电子芯片于一所述电路基板上，使得所述光电子芯片与所述电路基板电连接；

封装所述光电子芯片与所述光纤的所述第一端于一套管内；

覆盖所述反射透镜于所述光纤的所述第二端。

本发明提供的光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法，通过将具有光发射器件与光接收器件的光电子芯片与光纤融合，并在光纤中设置用于采集外界环境信号的微纳结构，且在光纤尾端设置反射透镜，所述光发射器件发射的光信号耦合至所述光纤，光信号在所述光纤中传播，外界环境的变化会调控所述光纤中的微纳结构，从而影响在光纤中传输的光信号，光信号经所述光纤尾端的反射透镜反射后被所述光电子芯片中的所述光接收器件接收，通过对所述光接收器件接收到的光信号进行分析，从而可以获得外界环境信息。本发明通过光电子芯片、光纤、以及反射透镜的集成，实现了对外界环境的感知，扩大了光电子芯片的应用领域，能够满足不同领域的应用需求，例如可应用于光通信、光传感、以及可穿戴光电子领域等。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中光电子芯片与光纤融合装置的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中光电子芯片与光纤融合装置的制备方法流程图；

附图3-附图7是本发明具体实施方式在制备光电子芯片与光纤融合装置的过程中主要的工艺结构示意图；

附图8是本发明具体实施方式中光电子芯片的俯视结构示意图；

附图9是本发明具体实施方式中第一量子阱二极管的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种光电子芯片与光纤融合装置，附图1是本发明具体实施方式中光电子芯片与光纤融合装置的结构示意图。如图1所示，所述光电子芯片与光纤融合装置，包括：

光电子芯片10，包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

光纤11，包括第一端111、与所述第一端111相对的第二端112、以及位于所述第一端111与所述第二端112之间的微纳结构113，所述第一端111与所述光电子芯片10耦合连接，所述微纳结构113暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤11的第一端111进入所述光纤11；

反射透镜12，位于所述光纤11的所述第二端112，用于反射经所述光纤11传输的光信号，且经所述反射透镜12反射的光信号通过所述光纤11进入所述光接收器件。

可选的，所述外界环境信息包括温度、湿度或者应力。

具体来说，由于量子阱二极管的发射光谱和探测光谱存在重叠区，因而量子阱发光二极管能够接收并感知具有相同量子阱结构的二极管发出的光，并将接收到的光信号转换为电信号，因此，可以将所述光发射器件中的所述第一量子阱二极管的结构设置为与所述光接收器件中的所述第二量子阱二极管的结构相同，从而实现所述光发射器件与所述光接收器件的同质集成，在简化所述光电子芯片与光纤融合装置制备工艺的同时，还有助于降低所述光电子芯片与光纤融合装置的制造成本。附图8是本发明具体实施方式中光电子芯片的俯视结构示意图。举例来说，所述光电子芯片10的俯视结构示意图可以如图8所示，即所述光电子芯片10包括衬底80、以及位于所述衬底80上的光发射器件801和光接收器件802，所述光发射器件801与所述光接收器件802在所述衬底80的表面平行排布，所述光电子芯片10的宽度L可以为2.5mm。所述光电子芯片10中可以包括多个所述光发射器件801，以提高所述光电子芯片10的光发射效率，且能够灵活调整所述光电子芯片10发射光信号的强度。所述光电子芯片10中还可以包括多个所述光接收器件802，以充分接收所述光纤11传回的光信号，从而进一步提高信号检测的灵敏度和可靠性。本具体实施方式中所述的多个是指两个以上。

附图9是本发明具体实施方式中第一量子阱二极管的截面示意图。如图9所示，所述第一量子阱二极管包括位于所述衬底80上的器件结构、以及包覆所述器件结构的钝化层97，所述器件结构包括：缓冲层90、位于所述缓冲层90上的n-GaN层91、位于所述n-GaN层91上的多量子阱层92、位于所述多量子阱层92上的p-GaN层93、位于所述p-GaN层93上的透明电极层94(其材料可以为ITO(氧化铟锡))、位于所述透明电极层94上的p-电极95、位于所述p-电极95上的p-焊垫96、位于所述n-GaN层91上的n-电极98、位于所述n-电极98上的n-焊垫99，所述钝化层97中具有暴露所述p-焊垫96和所述n-焊垫99的开口，以电连接所述p-焊垫96与外界控制信号、以及电连接所述n-焊垫99与外界控制信号。本具体实施方式是以所述第一量子阱二极管为例进行说明，所述第二量子阱二极管的结构可以与所述第一量子阱二极管的结构相同。

所述光纤11包括沿所述光纤11的延伸方向相对分布的所述第一端111和所述第二端112。通过微纳制造工艺形成的所述微纳结构113位于所述光纤11的所述第一端111与所述第二端112之间，暴露于外界环境中的所述微纳结构113能够采集外界环境中的温度、湿度或者应力等外界环境信息。在一示例中，所述微纳结构113是指微米级和/或纳米级的光栅结构。在其他示例中，本领域技术人员也可以根据实际需要设置所述微纳结构113的具体结构，例如根据所要采集的所述外界环境信息的具体类型。所述光纤11的材料可以是但不限于塑料。所述反射透镜12可以为但不限于金属反射透镜。

所述光电子芯片与光纤融合装置在工作过程中，所述光电子芯片10中的所述光发射器件发射的光信号自所述光纤11的所述第一端111耦合至所述光纤11内。图1中的实线箭头表示所述光发射器件发射的光信号在所述光纤11中的传播路径。所述光信号传输至所述微纳结构113时，所述外界环境信息会引起所述微纳结构13的形变，从而会影响所述光纤11中传输的所述光信号的强度。而强度发生变化的所述光信号传输至所述光纤11的所述第二端112后，经所述反射透镜12反射后，再沿所述光纤11传输，并经所述光纤11的所述第一端111再耦合至所述光电子芯片10中的所述光接收器件中。图1中的虚线箭头表示经所述反射透镜12反射后的光信号在所述光纤11中的传播路径。通过分析所述光接收器件接收到的光信号与所述光发射器件发射的光信号之间的差异(例如光强度差异等)即可获知所述外界环境信息。本具体实施方式通过光电子芯片、光纤、以及反射透镜的集成，实现了对外界环境的感知，扩大了光电子芯片的应用领域，从而能够满足不同领域的应用需求。

举例来说，所述光电子芯片10中的所述光发射器件在发射电流信号的驱动下发射光信号，所述光发射器件发射的光信号在所述光纤11内传播，所述微纳结构113采集到外界环境中的振动信息(即外界环境中的振动信息传递到所述微纳结构113)之后，会引起所述微纳结构113的形变，进而影响所述光纤11内传输的光信号的强度的变化。强度变化的光信号传输至所述光纤11的所述第二端112之后，被所述反射透镜12全反射，并沿所述光纤11再传输至所述光电子芯片10的所述光接收器件中。所述光接收器接收到的光信号携带了外界环境信息对所述光纤11的调制信息。所述光接收器件接收到所述光纤11传输回来的光信号之后，将所述光信号转换为光电流信号，所述光接收器件接收到的光电流信号与发射电流信号之间的幅值变化就代表了外界环境中振动的强度，所述光电流信号的变化周期就代表了外界环境中振动的频率。

可选的，所述微纳结构113为D型微纳结构。

为了提高所述微纳结构113的灵敏度，可选的，所述D型微纳结构113的直径T为600μm～650μm。

可选的，所述光电子芯片与光纤融合装置还包括：

耦合透镜14，覆盖所述光电子芯片10，所述光发射器件发射的光信号经所述耦合透镜14进入所述光纤11，经所述反射透镜12反射的光信号自所述耦合透镜14进入所述光接收器件。

具体来说，所述耦合透镜14的材料可以为具有较高折射率的树脂材料，用于汇聚光束。在一示例中，一个所述耦合透镜14同时覆盖所述光发射器件的出光面和所述光接收器件的入光面，从而使得所述耦合透镜14既能对所述光发射器件发射的光信号进行汇聚，也能对所述光接收器器件所要接收的光信号进行汇聚，从而在简化所述光电子芯片与光纤融合装置的结构的同时，还能提高所述光电子芯片与光纤融合装置检测外界环境信息的准确度和可靠性。

可选的，所述光电子芯片与光纤融合装置还包括：

电路基板13，所述光电子芯片10位于所述电路基板13上、且与所述电路基板13电连接。

具体来说，所述电路基板13可以是但不限于PCB板。所述电路基板13与所述光电子芯片10电连接，用于向所述光电子芯片10传输控制信号，并接收所述光电子芯片10的反馈信号。

可选的，所述光电子芯片与光纤融合装置还包括：

套管15，所述光电子芯片10与所述光纤11的所述第一端111封装于所述套管15内。

具体来说，所述套管15可以是但不限于不锈钢套管。采用不透光的不锈钢套管来封装所述光电子芯片10和所述光纤11的所述第一端111，一方面，能够避免环境光信号对所述光电子芯片10与所述光纤11之间的光信号耦合造成影响；另一方面，还能够固定所述光电子芯片10与所述光纤11之间的相对位置关系，并提高所述光电子芯片的使用寿命。

可选的，所述光电子芯片与光纤融合装置还包括：

处理电路，连接所述光发射器件和所述光接收器件，用于根据所述光发射器件发射的光信号与所述光接收器件接收到的光信号分析所述外界环境信息。

具体来说，所述处理电路可以设置在所述光电子芯片10内部，也可以设置在与所述光电子芯片10电连接的所述电路基板13中。所述处理电路可以包括滤波电路、放大电路里、整形电路和判决电路，以根据所述光发射器件发射的光信号与所述光接收器件接收到的光信号分析所述外界环境信息。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种光电子芯片与光纤融合装置的制备方法，附图2是本发明具体实施方式中光电子芯片与光纤融合装置的制备方法流程图，附图3-附图7是本发明具体实施方式在制备光电子芯片与光纤融合装置的过程中主要的工艺结构示意图。如图2-图7所示，所述光电子芯片与光纤融合装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤S21，形成光电子芯片10，如图3所示，所述光电子芯片10包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

步骤S22，形成光纤11，所述光纤11包括第一端111、与所述第一端111相对的第二端112、以及位于所述第一端111与所述第二端112之间的微纳结构113，所述微纳结构113暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息；

步骤S23，耦合连接所述光电子芯片10与所述光纤11的第一端111、并于所述光纤11的所述第二端112覆盖一反射透镜12，如图7所示，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤11的第一端111进入所述光纤11，所述反射透镜12用于反射经所述光纤11传输的光信号，且经所述反射透镜12反射的光信号通过所述光纤11进入所述光接收器件。

可选的，连接所述光电子芯片10与所述光纤11的第一端111、并于所述光纤11的所述第二端112覆盖一反射透镜12的具体步骤包括：

固定所述光电子芯片10于一所述电路基板13上，使得所述光电子芯片10与所述电路基板13电连接，如图4所示；

封装所述光电子芯片10与所述光纤11的所述第一端111于一套管15内，如图5和图6所示；

覆盖所述反射透镜12于所述光纤11的所述第二端112。

具体来说，形成同质集成所述光发射器件和所述光接收器件的所述光电子芯片10之后，键合所述光电子芯片10于一电路基板13上，使得所述光电子芯片10与所述电路基板13电连接。接着，于所述光电子芯片10背离所述电路基板13的一侧滴一滴具有高折射率的树脂胶水，形成半球状、且至少覆盖所述光电子芯片10中所述光发射器件的出光面和所述光接收器件的入光面的耦合透镜14，如图4所示，所述耦合透镜14用于汇聚光束。在形成包括微纳结构的所述光纤11之后，采用一不锈钢的套管10将所述光电子芯片10(或者所述光电子芯片10和所述电路基板13)和所述光纤11的所述第一端111固定封装，如图5和图6所示。在一示例中，还可以在所述套管10内设置位于所述光纤11与所述光电子芯片10之间的聚焦透镜，以对所述光纤11与所述光电子芯片10之间传输的光信号进行二次聚焦(所述耦合透镜14的聚焦为第一次聚焦)。然后，覆盖所述反射透镜12于所述光纤11的所述第二端112，以对经所述光纤11传输至所述光纤11的所述第二端112的光信号进行全反射。

本具体实施方式提供的光电子芯片与光纤融合装置及其制备方法，通过将具有光发射器件与光接收器件的光电子芯片与光纤融合，并在光纤中设置用于采集外界环境信号的微纳结构，且在光纤尾端设置反射透镜，所述光发射器件发射的光信号耦合至所述光纤，光信号在所述光纤中传播，外界环境的变化会调控所述光纤中的微纳结构，从而影响在光纤中传输的光信号，光信号经所述光纤尾端的反射透镜反射后被所述光电子芯片中的所述光接收器件接收，通过对所述光接收器件接收到的光信号进行分析，从而可以获得外界环境信息。本发明通过光电子芯片、光纤、以及反射透镜的集成，实现了对外界环境的感知，扩大了光电子芯片的应用领域，能够满足不同领域的应用需求，例如可应用于光通信、光传感、以及可穿戴光电子领域等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，包括：

光电子芯片，包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

光纤，包括第一端、与所述第一端相对的第二端、以及位于所述第一端与所述第二端之间的微纳结构，所述第一端与所述光电子芯片的耦合连接，所述微纳结构暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤的第一端进入所述光纤；

反射透镜，位于所述光纤的所述第二端，用于反射经所述光纤传输的光信号，且经所述反射透镜反射的光信号通过所述光纤进入所述光接收器件。

2.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，还包括：

耦合透镜，覆盖所述光电子芯片，所述光发射器件发射的光信号经所述耦合透镜进入所述光纤，经所述反射透镜反射的光信号自所述耦合透镜进入所述光接收器件。

3.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，还包括：

电路基板，所述光电子芯片位于所述电路基板上、且与所述电路基板电连接。

4.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，还包括：

套管，所述光电子芯片与所述光纤的所述第一端封装于所述套管内。

5.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，所述微纳结构为D型微纳结构。

6.根据权利要求5所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，所述D型微纳结构的直径为600μm～650μm。

7.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，还包括：

处理电路，连接所述光发射器件和所述光接收器件，用于根据所述光发射器件发射的光信号与所述光接收器件接收到的光信号分析所述外界环境信息。

8.根据权利要求1所述的光电子芯片与光纤融合装置，其特征在于，所述外界环境信息包括温度、湿度或者应力。

9.一种光电子芯片与光纤融合装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

形成光电子芯片，所述光电子芯片包括光发射器件和光接收器件，所述光发射器件包括呈阵列排布的多个第一量子阱二极管，所述光接收器件包括呈阵列排布的多个第二量子阱二极管；

形成光纤，所述光纤包括第一端、与所述第一端相对的第二端、以及位于所述第一端与所述第二端之间的微纳结构，所述微纳结构暴露于外界环境中、且用于采集外界环境信息；

耦合连接所述光电子芯片与所述光纤的第一端、并于所述光纤的所述第二端覆盖一反射透镜，所述光发射器件发射的光信号经所述光纤的第一端进入所述光纤，所述反射透镜用于反射经所述光纤传输的光信号，且经所述反射透镜反射的光信号通过所述光纤进入所述光接收器件。

10.根据权利要求9所述的光电子芯片与光纤融合装置的制备方法，其特征在于，连接所述光电子芯片与所述光纤的第一端、并于所述光纤的所述第二端覆盖一反射透镜的具体步骤包括：

固定所述光电子芯片于一所述电路基板上，使得所述光电子芯片与所述电路基板电连接；

封装所述光电子芯片与所述光纤的所述第一端于一套管内；

覆盖所述反射透镜于所述光纤的所述第二端。

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